面向低功耗冷鏈物聯控制器的不間斷電源電控系統設計

摘要：智慧零售與冷鏈物流的無人值守設備面臨市電中斷難題，如數據丟失、無法告警等。為此，提出基于不間斷電源的控制系統架構，介紹硬件設計及關鍵電路，可保障關鍵電路運行與信息上傳，延長續航，保障冷凍冷藏物品狀態，降低損失。

中圖分類號：TM930.2 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0048-04

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.012

0 引言

在智慧零售與冷鏈物流領域，無人值守設備需實時監控內部溫濕度、庫存狀態及設備健康度，并在異常時觸發遠程告警。然而，市電中斷導致的核心痛點在于：設備瞬間掉電后，不僅溫度傳感器、通信模塊停止工作，無法向云端上報冷藏室升溫（可能導致食品腐敗或藥品失效），還可能因庫存數據丟失而誤判補貨需求，造成運營混亂。據統計，在生鮮零售場景中，一次超過2h的斷電若未被及時處理，將導致單臺設備平均損失超萬元。

為解決這一矛盾，提出一種基于不間斷電源的控制系統架構，斷電后鋰電供電系統以毫秒級響應速度維持控制器核心電路（MCU、溫濕度傳感器）持續運行，避免復位引發的數據斷層；同時為低功耗通信模塊提供穩定能量，確保斷電期間溫升告警、庫存余量等關鍵信息持續上傳至云端。此外，電控系統會通過動態負載分級策略，分級控制負載外設，將關鍵功能續航延長至72h以上，為運維團隊爭取應急響應時間。該設計不僅保障了冷鏈設備的安全性，更通過“斷電隱形化\"技術，推動了無人零售網絡的可靠性升級。

1 硬件設計[1]

圖1所示為冷鏈物聯控制器的硬件系統架構[2-4]，主要包括ACDC系統、DCDC系統、鋰電池充放電系統、MCU主控及其外圍電路系統、外部攝像監控系統、溫濕度監測系統、制冷控制系統、人機交互系統、照明系統和通信模塊，具體介紹如下：

1ACDC系統：作用是將市電提供的交流電轉換為直流電，為后續的系統模塊供電。它能穩定輸出電壓，確保各模塊獲得穩定的直流電源，滿足不同電路對直流供電的需求。

②DCDC系統：作用是給MCU、鋰電池充放電、通信模塊以及外圍負載電路提供直流電源，該電源采用BUCK電路拓撲形式，它能以高效率方式，將ACDC輸出的較高直流電壓降低至功能模塊電路所需的直流電壓，并穩定輸出至各個功能電路模塊。

3鋰電池充放電系統：負責對鋰電池進行充放電管理。充電時，將ACDC轉換后的直流電合理分配給鋰電池，避免過充、過放等情況，保證電池使用壽命；放電時，為系統在市電斷電等情況下提供持續電源。

④MCU（微控制單元）：作為整個系統的核心，它集成了中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出控制接口等。可以對各個子系統的數據進行處理和分析，根據預設的程序和算法，向各子系統發送控制指令，協調它們的工作。

5攝像監控系統：利用攝像頭采集圖像信息，通過內置的圖像傳感器將光信號轉換為電信號，再經處理后存儲或傳輸，實現對冷柜內或冷庫內產品狀態進行監測，例如監測自動販賣機內的貨物情況或冷庫內所貯存產品的狀態。

6溫濕度監測系統：包含溫濕度傳感器，能夠實時檢測設備的溫度和濕度數據，并將這些數據轉換為電信號傳輸給MCU，以便進行監測和控制。

7）制冷控制系統：根據MCU發送的指令，控制制冷設備中的壓縮機、蒸發風機、冷凝風機、四通閥、電子膨脹閥等的運行狀態，調節冷庫或冷柜內部溫度維持在設定范圍內。

8人機交互系統：提供用戶與系統交互的界面，如顯示屏、按鍵、觸摸屏等。用戶可以通過該系統設置參數、查看系統運行狀態等，系統也能通過此界面向用戶反饋信息。

9照明系統：根據MCU的指令控制照明設備的開關、亮度調節等，為特定區域提供合適的照明環境。

10）通信模塊：可將MCU收集的監控信息上傳云端，以實現遠程監控、數據上傳下載等功能，常見的通信方式有Wi-Fi、藍牙、以太網等。

1.1 ACDC電路系統設計

如圖2所示，控制器的ACDC電源系統主要包括EMI電路、整流濾波電路以及原邊反饋反激式buck-boost開關電源電路，EMI電路主要由壓敏電阻 RV₁ 、NTC熱敏電阻 RT_l X電容 C₁₂ 和共模電感 ?L₁ 組成，可有效抑制外部雷擊浪涌，對內吸收啟動浪涌電流，同時有效阻止干擾電壓及騷擾功率對外傳導。整流橋 ΔV₄ 及 C₇ 、C8組成整流濾波系統，將市電工頻信號轉化成高壓直流電，繼而通過后級的原邊反饋反激式buck-boost開關電源電路將高壓直流電轉化為控制器系統所需的安全直流低電壓。反激電源基于隔離變壓器，可有效保證后級電路電氣安全。

針對小型化低功耗物聯網溫控器，之所以采用反激式buck-boost開關電源電路，是由于其電路簡單，無須光耦等復雜的副邊反饋電路元件，節省了電路板空間和成本。元件數量的減少也降低了電路的復雜性和故障率，整體成本較低，便于集成，性能上其能夠快速對負載變化和輸入電壓波動做出響應，及時調整輸出電壓，保持輸出的穩定性。在負載瞬態變化時，原邊反饋機制可以迅速檢測到變化并調整開關管的工作狀態，使輸出電壓快速恢復到穩定值。

1.2 DCDC電路系統設計

較高的直流輸出電壓VPP可以有效驅動繼電器、LED照明燈等，進一步地，如若對通信模塊、MCU等較低工作電壓提供電源，還需對VPP繼續進行BUCK轉化，如圖3所示，系統采用的是DCDCBUCK電源電路形式，通過MOS驅動管理芯片、功率電感、濾波電容和二極管組成的BUCK拓撲進行降壓轉化，這種降壓型直流-直流電源，相較于線性穩壓電源有較高的輸出效率，可有效降低控制器功耗，其良好的負載調整率使負載發生變化時其也能輸出穩定的電壓。此外，如圖3所示，其直流電壓采樣電路可有效判斷市電斷電與否，以便于MCU進行降功耗、外發警告操作。

1.3 鋰電池充放電系統

圖4所示為鋰電池充放電系統電路，VPP是外部電源輸入， C₃₂ 和 C₂₈ 為濾波電容，能去除電源中的高頻雜波，讓輸入更穩定。 R₅₉ 是限流電阻，避免輸出電流過大。圖中的核心芯片負責管理鋰電池充電過程，可用于開啟或關閉充電功能、指示充放電運行狀態，從芯片的SW引腳輸出的開關信號，經過電感 L₃ 、二極管 V₂₇ 組成的電路，對鋰電池進行充電。 Rs₁ 和 C₃₃ 組成的電路用于檢測充電電流，確保充電過程安全穩定，VBAT是鋰電池輸出電壓， V₁₈，V₁₉，V₂₀ 和周邊元件構成的電路，一方面用于防止電池電壓倒灌，另一方面對輸出電壓進行控制和保護，待市電掉電后輸出穩定的VCC電壓為后級電路供電。 R₅₂，R₅₃ 組成了鋰電池電量采樣電路，可使MCU及時獲悉鋰電池電量情況，以便MCU分級控制后級負載，使控制器在市電斷電情況下盡可能維持更長的工作時長。

1.4負載電源電子開關

如圖5所示，負載的電子開關主要是針對外部輸入量的電源控制來實現降功耗要求，主要包括對外部攝像頭監控系統電源、各個溫濕度傳感器電源以及遠程通信模塊。采用MOS管充當電子開關，MOS內部電荷存儲和釋放過程迅速，能在極短時間內完成導通和截止狀態的切換，這對于需要快速響應的電路至關重要，可有效提升系統的工作效率和性能。

2多級負載管理軟件算法設計

多級負載管理軟件算法的實施可有效提高鋰電池的續航能力，能盡可能為維護人員做到告警及監控，并有效保存設備在掉電過程中的各項溫濕度指標，進而判斷所貯存產品的符合性，降低損失。具體軟件執行流程如圖6所示[5]。

該軟件流程圖展示了在市電狀態變化及鋰電池電量不同情況下系統的運行控制邏輯：

1）開始與市電檢測：流程從“開始\"節點啟動，首先通過“市電是否存在\"判斷節點檢測市電狀態。

2）市電存在時：若檢測到市電存在，系統“正常執行運轉程序”，并持續循環檢測市電狀態。

3）市電不存在時：當市電不存在，系統自動切換至鋰電池供電，軟件進入低功耗運行模式。隨即“立即遠程發送告警信號”，然后“立即切斷制冷系統、照明系統等輸出控制操作”，同時“切斷遠程通信模塊、溫濕度傳感器和攝像系統電源”，降低鋰電池能源消耗。

4鋰電池電量判斷與操作：此后，系統依據鋰電池電量進行不同操作。（1）鋰電池電量處于 80%～100% 且延時 10min 后，開啟遠程通信模塊發送告警信息及運行情況，同時開啟溫濕度傳感器和攝像系統電源，收集完信息后關閉；之后繼續檢測市電狀態，若仍無市電，則回到鋰電池電量判斷環節。（2）鋰電池電量在 50%～80% 且延時 10min 后，同樣按上述方式開啟相應模塊收集信息和發送告警，再循環檢測市電和電量。（3）鋰電池電量處于 20%～50% 且延時 30min 后，重復上述開啟和關閉模塊的操作，繼續監測市電和電量。（4）鋰電池電量低于 20% 且不為0，延時 10min 后，開啟溫濕度傳感器收集信息后關閉，開啟遠程通信模塊發送告警。（5）當鋰電池電量降為0時，流程結束。

3 結束語

在目前通用冷鏈物聯控制器基礎上提出的冷鏈物聯控制器不間斷電源控制系統，有效解決了市電中斷帶來的問題。該系統硬件設計合理，關鍵電路性能良好，通過負載分級等策略延長續航，為智慧零售與冷鏈物流設備穩定運行提供了保障，市場前景廣闊，值得推廣。

[參考文獻]

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2023.

[2]黨耀東，蔡晉輝，柯海森，等.一種冷鏈溫濕度監測系統的設計與實現[J].電子器件，2024，47（2）：570-576.

[3］李彤.基于物聯網的農產品冷鏈運輸在線監控系統設計[D].保定：河北大學，2023.

[4]李萌.基于NB-IoT的冷鏈運輸監測系統設計與實現[D].西安：西安科技大學，2021.

[5]譚浩強.C語言程序設計[M].5版.北京：清華大學出版社，2017.